Prezentujemy zautomatyzowaną metodę charakteryzowania efektywnego modułu sprężystości soczewki okularowej za pomocą testu kompresji.
Artykuł metodologiczny
Prezentujemy zautomatyzowaną metodę charakteryzowania efektywnego modułu sprężystości soczewki okularowej za pomocą testu kompresji.
Biomechaniczne właściwości soczewki ocznej są niezbędne do jej funkcjonowania jako elementu optycznego o zmiennej mocy. Właściwości te zmieniają się dramatycznie wraz z wiekiem ludzkiej soczewki, powodując utratę widzenia z bliska zwaną starczowzrocznością. Mechanizmy tych zmian pozostają jednak nieznane. Kompresja soczewki oferuje stosunkowo prostą metodę oceny sztywności biomechanicznej soczewki w sensie jakościowym, a w połączeniu z odpowiednimi technikami analitycznymi może pomóc w ilościowym określeniu właściwości biomechanicznych. Do tej pory przeprowadzono różne testy kompresji soczewek, w tym zarówno ręczne, jak i automatyczne, ale metody te niekonsekwentnie stosują kluczowe aspekty testów biomechanicznych, takie jak kondycjonowanie wstępne, szybkość obciążenia i czas między pomiarami. W tym artykule opisano w pełni zautomatyzowany test kompresji obiektywu, w którym zmotoryzowany stolik jest synchronizowany z kamerą w celu uchwycenia siły, przemieszczenia i kształtu soczewki w zaprogramowanym protokole ładowania. Na podstawie tych danych można następnie obliczyć charakterystyczny moduł sprężystości. Chociaż zademonstrowano to tutaj przy użyciu soczewek wieprzowych, podejście to jest odpowiednie dla kompresji soczewek dowolnego gatunku.
Soczewka jest przezroczystym i elastycznym organem znajdującym się w oku, który pozwala mu skupiać się na różnych odległościach poprzez zmianę jego mocy refrakcyjnej. Ta zdolność jest znana jako akomodacja. Moc refrakcyjna ulega zmianie w wyniku skurczu i rozluźnienia mięśnia rzęskowego. Kiedy mięsień rzęskowy kurczy się, soczewka pogrubia się i przesuwa do przodu, zwiększając swoją moc refrakcyjną1,2. Wzrost mocy refrakcyjnej pozwala obiektywowi skupić się na pobliskich obiektach. Wraz z wiekiem soczewka staje się sztywniejsza i ta zdolność do adaptacji jest stopniowo tracona; Ten stan jest znany jako starczowzroczność. Mechanizm usztywnienia pozostaje nieznany, przynajmniej częściowo ze względu na trudności związane z biomechaniczną charakterystyką soczewki.
Zastosowano różne metody do oszacowania sztywności soczewek i właściwości biomechanicznych. Należą do nich obracanie obiektywów3,4,5, metody akustyczne6,7,8, metody optyczne, takie jak mikroskopia Brillouin9, indentation10,11 i kompresja12,13. Kompresja jest najbardziej dostępną techniką eksperymentalną, ponieważ można ją wykonać za pomocą prostego oprzyrządowania (np. szklane szkiełka nakrywkowe14,15) lub pojedynczego zmotoryzowanego etapu. Wcześniej pokazaliśmy, w jaki sposób właściwości biomechaniczne soczewki mogą być rygorystycznie oszacowane na podstawie testu kompresji16. Proces ten jest technicznie trudny i wymaga specjalistycznego oprogramowania, które nie jest łatwo dostępne dla badaczy obiektywów zainteresowanych pomiarami sztywności względnej. Dlatego w niniejszym badaniu skupiamy się na dostępnych metodach szacowania modułu sprężystości soczewki z uwzględnieniem rozmiaru soczewki. Moduł sprężystości jest nieodłączną właściwością materiału związaną z jego odkształcalnością: wysoki moduł sprężystości odpowiada sztywniejszemu materiałowi.
Test sam w sobie jest równoległym testem ściskania płyty i dlatego może być przeprowadzony na odpowiednich komercyjnych systemach testowania mechanicznego. W tym przypadku skonstruowano niestandardowy instrument składający się z silnika, stolika liniowego, kontrolera ruchu, ogniwa obciążnikowego i wzmacniacza. Były one kontrolowane za pomocą specjalnego oprogramowania, które rejestrowało również czas, pozycję i obciążenie w regularnych odstępach czasu. Soczewki dla świń nie mieszczą się, ale są łatwo dostępne i niedrogie17. Poniższa metoda została opracowana w celu stopniowego ściskania soczewki oka i ilościowego określania jej modułu sprężystości. Metoda ta może być łatwo powtórzona i będzie przydatna w badaniu sztywności soczewek.
Oczy świń pobrano z lokalnej rzeźni. Nie wymagano zgody komisji etycznej.
1. Disekcja soczewki (Rycina 1)
2. Kompresja soczewki z/bez torebki soczewki (Rysunek 2)
UWAGA: Wszystkie poniższe kroki, z wyjątkiem kroków 2.1 i 2.4, są sterowane komputerowo.
3. Wyznaczenie modułu sprężystości soczewki
(1)
współczynnik Poissona (przyjęty jako 0,5, co odpowiada materiałowi nieściskanialnemu); oraz u jest to ruch w dół górnego stopnia od punktu kontaktu. Należy zauważyć, że moduł sprężystości i współczynnik Poissona są właściwościami materiałowymi wskazującymi odpowiednio na sztywność wewnętrzną soczewki oraz jej względną ściśliwość.Sześć soczewek świńskich poddano kompresji, najpierw z nienaruszoną torebką, a następnie po ostrożnym usunięciu torebki. Wartości grubości wynosiły 7,65 ± 0,43 mm dla soczewek z torebką oraz 6,69 ± 0,29 mm dla soczewek bez torebki (średnia ± odchylenie standardowe). Typowy przebieg obciążenia przedstawiono na Rysunku 3. Otrzymane krzywe siła-przemieszczenie dobrze pasowały do modelu Hertza (tzn. siła była proporcjonalna do przemieszczenia podniesionego do potęgi 1,5; Rysunek 4). Obowiązywało to zarówno w przypadku soczewek z torebką, jak i bez niej.
Soczewki były najpierw ściskane o 15% ich grubości w stanie nieobciążonym z nienaruszoną torebką, a następnie po usunięciu torebki. Wcześniej wykazano, że ściskanie osiowe o 15% grubości początkowej nie powoduje uszkodzeń szwów soczewki18. Dekapsulacja doprowadziła do znaczącego spadku efektywnego modułu sprężystości (n = 6; p = 0,0138; Rysunek 5).

Rysunek 1: Technika sekcji. (A) Usunięcie tkanek okołogałkowych. (B) Wykonanie cięcia okrężnego na poziomie limbusa. (C) Wykonanie cięcia okrężnego na poziomie równika. (D) Usunięcie rogówki. (E) Usunięcie tęczówki. (F) Przecięcie oka na pół na poziomie równika, następnie (G) usunięcie ciała szklistego, co pozostawia (H) pierścień obrączkowy zawierający soczewkę, ciało rzęsiste i więzadła wciąż przytwierdzone do twardówki. (I) Wykonanie cięcia południkowego przez twardówkę, aby (J) uzyskać dostęp do więzadeł, (K) które zostają przecięte, pozostawiając (L) otoczoną torebką soczewkę. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Aparatura do badań ściskania. (A) Schemat i (B) zdjęcie aparatury do ściskania soczewek. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 3: Historia przyłożonego obciążenia dla enkapsulowanej soczewki świni. Góra: Historia przemieszczenia. Dół: Historia siły. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 4: Typowe dane siły i przemieszczenia dopasowane do modelu Hertza. Po lewej: dane dla enkapsulowanej soczewki świni. Po prawej: dane dotyczące ściskania tej samej soczewki po dekapsulacji. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

Rysunek 5: Wykres pudełkowy z wąsami przedstawiający efektywne moduły sprężystości soczewek świńskich z torebką i bez torebki. Efektywny moduł sprężystości soczewek z torebką był znacząco wyższy niż w przypadku soczewek bez torebki (p = 0,013), co wskazuje, że obecność torebki może w istotny sposób zmienić efektywną sztywność soczewki. Dane dotyczą sześciu soczewek. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Plik uzupełniający 1: Aplikacja MATLAB do sterowania aparaturą do kompresji soczewek. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Plik uzupełniający 2: Funkcja MATLAB do szacowania modułu sprężystości na podstawie danych z pomiarów siły kompresji. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Kompresja soczewki to wszechstronna metoda szacowania sztywności soczewki. Opisane powyżej procedury pozwalają na porównanie soczewek różnych gatunków i różnych rozmiarów. Wszystkie odkształcenia są normalizowane w zależności od rozmiaru soczewki, a obliczenie modułu sprężystości w przybliżeniu uwzględnia rozmiar soczewki. Moduł efektywny jest znacznie wyższy niż moduł zgłoszony wcześniej dla soczewkiświni 4,7,11,19, przynajmniej częściowo ze względu na zastosowanie grubości, a nie promienia krzywizny: promienie biegunowe soczewki świni są znacznie większe niż połowa grubości 20.
Przedstawiona tu prosta analiza (tj. wykorzystanie modelu Hertza) ma kilka kluczowych ograniczeń. Po pierwsze, nie uwzględnia obecności kapsułki obiektywu. Wykazano, że obecność kapsułki może znacząco zmienić właściwości biomechaniczne soczewki16,21. Dlatego tę metodę najlepiej stosować do soczewek pozbawionych kapsułki. Jest to szczególnie ważne przy porównywaniu gatunków w przypadkach, gdy kapsułka może znacząco różnić się grubością lub właściwościami biomechanicznymi. Metoda ta zakłada również, że soczewka jest jednorodna mechanicznie; My i inni wykazaliśmy wcześniej, że na ogół nie dotyczy to soczewekświńskich lub ludzkich 4,5,6,10,11,22. Dlatego najlepiej jest rozważyć wartość modułu sprężystości obliczoną jako moduł efektywny, który jest przypuszczalnie związany ze średnią objętościową modułu zmieniającego się przestrzennie w soczewce. Model Hertza zakłada, że soczewka jest liniowo elastyczna, podczas gdy wiadomo, że jest lepkosprężysta; W związku z tym proponowana tutaj prosta analiza nie jest w stanie dostarczyć informacji na temat lepkosprężystości soczewek. Wcześniejsze prace wykazały również, że metoda i czas przechowywania soczewek przed testowaniem mogą zmieniać właściwości soczewek4; W związku z tym wszystkie soczewki świń zostały przetestowane natychmiast po sekcji po przybyciu do laboratorium.
Różnica w pomiarach siły i przemieszczenia wynika z szumów ze wzmacniacza ogniwa obciążnikowego: usunięcie kapsuły sprawia, że pomiary siły są znacznie niższe, a zatem stosunek sygnału do szumu jest niższy. Do założeń przyjętych przy wyprowadzaniu modelu Hertza należy przede wszystkim to, że kula jest materiałem jednorodnym; W związku z tym efektywny moduł sprężystości w jakiś sposób uśrednia odkształcalność soczewki i jej torebki, gdy kapsułka jest obecna. To sprawia, że porównania międzygatunkowe i międzywiekowe są szczególnie trudne, ponieważ soczewka świni ma kapsułkę o grubości ~60 μm, podczas gdy soczewka myszy lub człowieka ma kapsułkę o grubości 5-15 μm. Moduł sprężystości kapsułki może się również różnić w zależności od gatunku i wieku, choć zależności te nie są znane. Tak więc, chociaż możliwe jest uzyskanie mniej głośnego dopasowania do kapsułki, porównanie jest z natury zagmatwane przez obecność kapsułki - to jest powód, dla którego zalecamy wykonanie testu bez kapsułki.
Ostatecznie obliczono efektywny moduł przy założeniu, że promień krzywizny był równy połowie grubości soczewki. Dotyczy to tylko soczewek sferycznych; Soczewka świni jest znacznie asferyczna, a więc wartości modułu efektywnego są znacznie wyższe niż w przypadku zastosowania promienia krzywizny. To ostatnie założenie można obalić, mierząc promienie krzywizny, choć może to być skomplikowane w przypadku dolnej powierzchni, która jest zawsze płaska z powodu kontaktu z dolną płytą. Jest to również mniej ważne w przypadku soczewek bardziej sferycznych, takich jak soczewki mysie. Jeszcze lepsze jest zastosowanie odwrotnej analizy elementów skończonych w celu ustalenia właściwości mechanicznych soczewki16.
Autorzy nie mają do zadeklarowania konfliktu interesów.
Wspierane przez National Institutes of Health grant R01 EY035278 (MR).
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Zakrzywione kleszcze ogólnego przeznaczenia ze średnim punktem | Fisherbrand | 16-100-110 | |
| Galil Biblioteki COM | Galil Motion Control | ||
| Precyzyjny uchwyt skalpela | Fisherbrand | 12-000-164 | |
| Stolik liniowy | McMaster-Carr | 6734K4 0,125-calowy | |
| czujnik wagowy | FUTEK | LSB200-FSH03869 | |
| Wzmacniacz ogniw obciążnikowych | FUTEK | IAA300-FSH03931 | |
| MATLAB | The Mathworks, Inc. | ||
| mikrosondy | 22-079-740 | ||
| Miniaturowe precyzyjne nożyczki samootwierające | Excelta | 63042-004 | |
| Kontroler ruchu | Galil Motion Control | DMC-31012 | |
| Motor | Galil Motion Control | BLM-N23-50-1000-B | |
| Hemastaty proste | Nauka piękna | NC9247203 | ze stali nierdzewnej, 14cm |
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie